Короткий зміст "Теорія всього" | Стівен Гокінг

Походження і доля Всесвіту

Резюме з 1 речення

Теорія всього Стівена Гокінґа пропонує стисле, але глибоке дослідження таємниць Всесвіту, від Великого вибуху до чорних дір - чи можуть відповіді на цих сторінках переосмислити саме наше існування?

Примітка редактора

Теорія всього отримав найбільше голосів від наших читачів. Яку книгу варто додати наступною? Проголосуйте за неї на наш безкоштовний додаток.

Короткий зміст аудіокниги

Жвава дискусія

Погляд Стівена Хокінга

Стівен Гокінг вважається одним з найгеніальніших фізиків-теоретиків в історії. Від Великого вибуху до чорних дір - його роботи про походження та структуру Всесвіту зробили революцію в цій галузі. Гокінг народився в Оксфорді в родині лікарів. Він розпочав свою університетську освіту в Університетському коледжі Оксфорда в 1959 році. Він отримав першокласний ступінь бакалавра фізики. У 1962 році Гокінг почав працювати над аспірантською роботою в Трініті-холі в Кембриджі. У березні 1966 року він отримав ступінь доктора філософії в галузі прикладної математики і теоретичної фізики, спеціалізуючись на загальній теорії відносності та космології. Як і Ісаак Ньютон, він був Лукасівським професором математики в Кембриджському університеті з 1979 по 2009 рік. У віці 21 року, вивчаючи космологію в Кембриджському університеті, йому поставили діагноз "бічний аміотрофічний склероз" (БАС). Частина його життєвої історії була відображена у фільмі 2014 року Теорія всього.

Вступ

Теорія всього це цикл лекцій Стівена Гокінга. Мета цих лекцій - викласти те, що вчені вважають історією Всесвіту. В результаті він пропонує історію розуміння наукою Всесвіту. Крім того, він чітко пояснює події, які розгорнулися одразу після Великого вибуху. Хокінг також висвітлює космологічну галузь, в якій він найбільш відомий: вивчення чорних дір.

StoryShot #1: Початкові чотири ідеї про Всесвіт

Аристотель

Аристотель розглядав ідею круглої Землі ще у 340 році до нашої ери. У своїй книзі На небесахВін писав про дві теорії, які вказували на те, що Земля має кулясту форму. По-перше, він помітив, що Земля, перебуваючи між Сонцем і Місяцем, спричиняє місячні затемнення. Оскільки тінь від Землі на Місяці завжди була круглою, це наводило на думку, що Земля теж кругла. Зі своїх подорожей Аристотель дізнався, що Полярна зірка знаходиться нижче на небі, якщо дивитися на неї з півдня. Знову ж таки, це дозволяє припустити, що Земля має кулясту, а не дископодібну форму. Хоча висновки Аристотеля були правильними, його теорії все ж таки мали недоліки. Наприклад, він вважав, що Земля нерухома і що Сонце, Місяць, планети і зірки мають кругові орбіти навколо Землі. 

Птолемей

Птолемей розвинув ці ідеї в першому столітті нашої ери. Він створив повну космологічну модель із Землею в центрі. Вісім сфер, що містять Місяць, Сонце, зірки та п'ять планет, оточують Землю. П'ятьма відомими планетами були Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. Знову ж таки, Птолемей припустився очевидних помилок у своїй теорії. Однак він розвинув ідеї Аристотеля і надав досить точну систему для передбачення положень структур, видимих вночі. Християнська церква в цілому прийняла цю теорію, частково тому, що вона помістила Землю в центр Всесвіту. 

Коперник

У 1514 році Микола Коперник запропонував набагато простішу модель Всесвіту. Коперник був польським священиком. Свою модель він опублікував анонімно, побоюючись звинувачень у єресі. Коперник стверджував, що Сонце було нерухомим у центрі Всесвіту. Земля і планети рухаються по кругових орбітах навколо Сонця. Ніхто не сприймав цю ідею всерйоз до тих пір, поки приблизно через 100 років. У цей момент Йоганн Кеплер і Галілео Галілей почали публічно підтримувати цю теорію. Нещодавно винайдений телескоп підтвердив думку Коперника про те, що Земля не є центром Всесвіту. Галілей помітив, що навколо Юпітера обертається кілька супутників. Це означало, що немає необхідності для всіх небесних тіл обертатися навколо Землі. Однак дехто все ще заперечував, що Земля не є центром Всесвіту. Вони стверджували, що супутники Юпітера рухаються по надзвичайно складних траєкторіях навколо Землі, припускаючи, що вони обертаються навколо Юпітера. 

Ньютон

У 1687 році Ньютон опублікував свою Математичні засади натурфілософіїy. Гокінг описує цю роботу як, можливо, найбільш важливу з усіх, коли-небудь опублікованих у фізичних науках. У цій книзі Ньютон запропонував теорію того, як тіла рухаються у просторі і часі. Ця теорія також пояснювала нову ідею всесвітнього тяжіння. Ньютон припустив, що кожне небесне тіло у Всесвіті притягується до кожного іншого тіла. Чим більше тіло, тим сильніше гравітаційне тяжіння. Ньютон показав, що гравітація змушує Місяць рухатися по еліптичній орбіті навколо Землі. Аналогічно, гравітація також змушує Землю і планети рухатися по еліптичних траєкторіях навколо Сонця.

Незважаючи на ці досягнення, до двадцятого століття все ще не було жодного натяку на те, що всесвіт розширюється або стискається. Було загальноприйнято, що або всесвіт існував вічно в стабільному стані, або був створений в кінцевий момент часу в минулому. Однак деякі вчені ставили під сумнів можливість існування нескінченного, статичного Всесвіту. Наприклад, Генріх Ольберс стверджував, що майже кожна лінія або сторона закінчувалася б на поверхні зірки в нескінченному, статичному Всесвіті. Як наслідок, можна було б очікувати, що все небо буде таким же яскравим, як Сонце, навіть вночі. Єдиний спосіб уникнути такого висновку був би, якби зірки не світили вічно. Наприклад, вони могли б увімкнутися в якийсь скінченний час в минулому.

StoryShot #2: Всесвіт, що розширюється

Множинні галактики

Наше Сонце і зірки, що знаходяться поруч, є частиною Чумацького Шляху. Довгий час існував консенсус, що Чумацький Шлях - це весь Всесвіт. Однак у 1925 році Едвін Хаббл продемонстрував, що Чумацький Шлях - не єдина галактика. Він виявив багато інших галактик з величезними просторами між ними. Щоб довести правомірність своєї теорії, він повинен був визначити, наскільки великими були ці порожні простори. 

Одним із способів безпосереднього визначення відстані зорі від Землі є визначення її блиску. Яскравість зорі залежить від її світності та відстані до неї. Тому, якщо ми можемо визначити світність зорі, ми можемо використовувати видиму яскравість для обчислення відстані до неї. Хаббл стверджував, що певні зорі завжди мають однакову світність, коли вони знаходяться досить близько, щоб ми могли їх виміряти. Якби ми знайшли такі зорі в іншій галактиці, то могли б припустити, що вони мають таку ж світність. Таким чином, ми могли б обчислити відстань до тієї галактики. Ми могли б бути достатньо впевненими, що наша оцінка точна, якби багато зірок в одній галактиці давали однакову відстань. Хаббл розрахував таким чином відстані до дев'яти галактик. Тепер ми знаємо, що наша галактика - лише одна зі ста тисяч мільйонів, які можна спостерігати за допомогою сучасних телескопів. У кожній галактиці налічується близько ста тисяч мільйонів зірок. 

Всесвіт, що розширюється

Хаббл виявив, що всі галактики, які він спостерігав, мали червоне зміщення. Червоне зміщення - ключове поняття для астрономів. Ми можемо розуміти його буквально: Довжина хвилі світла розтягується, тому світло бачиться як зміщений в бік червоної частини спектру. Це означає, що кожна з цих галактик віддаляється від нас. Крім того, швидкість, з якою кожна галактика віддалялася від нас, залежала від її відстані. Чим далі була галактика, тим швидше вона віддалялася від нас. Хокінг називає це відкриття одним з найбільших інтелектуальних відкриттів ХХ століття. 

На основі загальної теорії відносності та рівнянь Фрідмана

Олександр Фрідман, радянський фізик і математик, розробив моделі загальної теорії відносності для пояснення гіпотези про розширення Всесвіту.

Фрідман показав, що Всесвіт розширюється настільки повільно, що гравітаційне тяжіння між різними галактиками уповільнює розширення Всесвіту. В результаті розширення може зупинитися. Тоді галактики почнуть рухатися назустріч одна одній в міру того, як Всесвіт стискатиметься. 

Фрідман також припустив, що Всесвіт може розширюватися настільки швидко, що гравітаційне тяжіння не зможе зупинити це розширення. Воно може трохи сповільнитися, але галактики врешті-решт досягнуть стану, коли вони будуть віддалятися одна від одної з постійною швидкістю. 

Нарешті, Фрідман запропонував рішення, згідно з яким Всесвіт розширюється достатньо швидко, щоб уникнути стиснення. При такому рішенні швидкість, з якою галактики віддаляються одна від одної, буде зменшуватися. Вона ніколи не досягне нуля, але досягне стадії, коли рух буде практично нульовим.

Наразі ми знаємо про розширення галактик, оскільки Всесвіт розширюється від п'яти до десяти відсотків кожну тисячу мільйонів років. Однак ми не впевнені, яке з рішень Фрідмана є правильним, оскільки ми не впевнені в масі галактик. Визначити масу галактик досить складно, оскільки темна матерія присутня у всіх галактиках. Темна матерія складається з частинок, які не поглинають, не відбивають і не випромінюють світло, тому їх не можна виявити, спостерігаючи електромагнітне випромінювання. Ми не можемо бачити темну матерію безпосередньо. Ми знаємо, що темна матерія існує завдяки її впливу на об'єкти, які ми можемо спостерігати безпосередньо. Так само ми не можемо легко визначити масу темної матерії.

Великий вибух 

Розв'язки Фрідмана стверджують, що відстань між сусідніми галактиками повинна була дорівнювати нулю між десятьма і двадцятьма тисячами мільйонів років тому. У той час, який ми називаємо Великим вибухом, густина Всесвіту і викривлення простору-часу були б нескінченними. Це означає, що загальна теорія відносності пророкує сингулярну точку у Всесвіті.

Проблема з сингулярною точкою у Всесвіті полягає в тому, що це підтримує біблійну перспективу. Тому церква прийняла Великий вибух як божественне втручання. Таким чином, було кілька спроб уникнути висновку про Великий вибух. Альтернативою була теорія стаціонарного стану. Теорія стаціонарного стану була запропонована в 1948 році і стверджувала, що галактики віддаляються одна від одної. Однак у проміжках між ними постійно утворюються нові галактики. Ці нові галактики утворюються з нової матерії, яка постійно створюється. Отже, Всесвіт виглядає приблизно однаково в усі часи і в усіх точках простору.

StoryShot #3: концепція чорних дір

Термін "чорна діра" з'явився відносно недавно. Він був запропонований у 1969 році Джоном Уілером, але як концепція йому щонайменше двісті років. Два століття тому існувало дві теорії світла. Одна з них стверджувала, що світло складається з частинок. Інша теорія стверджувала, що світло складається з хвиль. Насправді обидві ці теорії правильні. Ті, хто вірив у теорію частинок, стверджували, що це може вплинути на наше розуміння зірок. Вони вважали, що зорі достатньо масивні та компактні, щоб їхня гравітація затягувала назад будь-яке світло, випромінюване з поверхні зорі. Зірка може не випромінювати світло достатньо далеко, щоб ми могли її спостерігати, але ми все одно відчували б її гравітаційне тяжіння. Сьогодні ми знаємо ці зорі як чорні діри. 

Життєвий цикл зірки

Щоб зрозуміти, як утворюються чорні діри, ми повинні розуміти життєвий цикл зірки. Зірки утворюються, коли велика кількість водню стискається під дією гравітації. Стиснення призводить до того, що газ стикається частіше. Оскільки газ рухається з більшою швидкістю, він нагрівається. Коли зорі досягають критичної температури, атоми водню перестають відскакувати один від одного. Замість цього вони зливаються, утворюючи атоми гелію. Тепло зорі - це те, що змушує її світити, і вона буде продовжувати горіти, поки не закінчиться паливо (тобто водень). 

Чим більше палива у зірки на старті, тим швидше воно вичерпується. Це пов'язано з розміром зірки, що вимагає більше тепла, щоб збалансувати її гравітаційне тяжіння. Більш високі температури потребують більше водню. Нашому Сонцю, ймовірно, вистачить енергії ще на п'ять тисяч мільйонів років або близько того.

Межа Чандрасекхар

Субрахманьян Чандрасехар, індійсько-американський астрофізик, використав теорію відносності, щоб показати, чим обмежена різниця швидкостей частинок зірок. Частинки не можуть рухатися швидше за швидкість світла.

Стайня білий карлик зоря має максимальну масу. Коли вона досягає цієї маси, тяжіння гравітації настільки сильне, що змушує її колапсувати на себе. Межа Чандрасехара приблизно в 1,4 рази перевищує масу нашого Сонця. 

Інший потенційний стан зірок - це нейтрон зоряна держава. Ці зірки набагато менші за білий карлик. Вони підтримуються за рахунок відштовхування між нейтронами і протонами, на відміну від звичайного взаємозв'язку між електронами. Ці нейтронні зірки мають радіус лише близько десяти миль. 

Нарешті, будь-які зірки, які падають вище межі, можуть вибухнути, коли у них закінчиться паливо. Багато вчених, включаючи Ейнштейна, писали роботи, в яких пояснювали, що це неможливо. Незважаючи на ці заперечення, Чандрасехар отримав Нобелівську премію в 1983 році за свою ранню роботу про граничну масу холодних зірок. 

Нарис утворення чорних дір

1. Гравітаційне поле зорі змінює траєкторії світлових променів у просторі-часі.
2. Світлові конуси показують шляхи, які проходять у просторі і часі спалахи світла. Вони вигинаються всередину біля поверхні зорі.
3. Коли зоря стискається, гравітаційне поле на її поверхні стає сильнішим. Світлові конуси вигинаються більше.
4. Цей вигин ускладнює вихід світла від зорі. В результаті світло здається спостерігачам тьмянішим і червонішим. 
5. Коли відбувається достатня усадка, гравітаційне поле на поверхні настільки сильне, що світло більше не може виходити. 
6. Ніщо не може рухатися швидше за світло, тому ніщо інше не може уникнути цього гравітаційного поля.

Ця межа чорних дір утворює горизонт подій. Вона збігається з траєкторіями світлових променів, яким не вдається вирватися з чорної діри.

Відкриття Гокінга

"Робота, яку ми з Роджером Пенроузом виконали між 1965 і 1970 роками, показала, що, згідно із загальною теорією відносності, всередині чорної діри повинна існувати сингулярність нескінченної щільності. Це скоріше схоже на великий вибух на початку часів, тільки для тіла, що колапсує, і астронавта це був би кінець часу. У момент сингулярності закони науки і наша здатність передбачати майбутнє зруйнувалися б. Однак будь-який спостерігач, який залишився за межами чорної діри, не буде зачеплений цим провалом передбачуваності, тому що ні світло, ні будь-який інший сигнал не зможе досягти їх з сингулярності".

- Стівен Гокінг, "Теорія всього

Ця цитата свідчить про те, що існують рішення загальної теорії відносності. Астронавт може побачити сингулярність, що дозволить йому уникнути зіткнення з нею. Він може провалитися через червоточину, яка перенесе його в іншу область Всесвіту у вигляді подорожі у просторі та часі. Проте Хокінг визнає, що ці рішення загального рівняння відносності нестабільні. Присутність астронавта може викликати збурення, яке змінить результат. Крім того, вони можуть не побачити сингулярність, поки не зіткнуться з нею, і тоді вони загинуть. Сингулярність завжди лежить в їхньому майбутньому і ніколи в їхньому минулому.

Чорні діри є прикладами наукових теорій, розроблених як математичні моделі до того, як з'явилися будь-які спостережні дані. 

Інші важливі умови

Квазар: Квазар - надзвичайно світне активне галактичне ядро (АГЯ). Надмасивна чорна діра, маса якої від мільйонів до мільярдів разів перевищує масу Сонця. Її оточує газовий акреційний диск.

Пульсари: Пульсар - це нейтронна зоря, що обертається. Вона випромінює імпульси радіохвиль через невідповідність між її магнітними полями та навколишньою речовиною. 

StoryShot #4: Походження і доля Всесвіту

У 1980-х роках Ватикан запросив Гокінга на конференцію з космології. Католицька церква навчилася на прикладі замовчування Галілея, що вона не повинна перешкоджати науковим відкриттям. Тому вони вирішили, що кращим підходом буде запросити багатьох експертів для консультацій з космології. Папа сказав Стівену Гокінгу, що він не повинен вивчати великий вибух, незважаючи на це. Папа розглядав великий вибух як момент створення світу. Хокінг не прислухався до цього прохання. 

Модель гарячого великого вибуху

• Ця модель передбачає, що модель Фрідмана описує Всесвіт.
• Всесвіт розширюється, знижуючи температуру речовини і випромінювання. Температура є мірою середньої енергії частинок. Отже, при високих температурах частинки рухаються так швидко, що не притягуються одна до одної. Проте, коли вони охолоджуються, частинки починають злипатися.
• Великий вибух стався, коли Всесвіт не мав жодних розмірів, а це означає, що він мав бути нескінченно гарячим. У міру розширення Всесвіту температура випромінювання повинна була знижуватися.
• Незважаючи на це, великий вибух стався б при температурі близько десяти тисяч мільйонів градусів. Це температура вибуху водородної бомби.
• Світ складається з фотонів, електронів, нейтрино, а також деяких протонів і нейтронів.
• Всесвіт продовжував розширюватися, а температура падала. Швидкість утворення електронних пар впала б нижче швидкості, з якою анігіляція знищувала їх.
• Через сто секунд температура впала б до тисячі мільйонів градусів. Це температура найгарячіших зірок. При такій температурі протони і нейтрони не мали б енергії, щоб уникнути сильного притягання ядерних сил.
• Ці протони і нейтрони об'єднувалися. Вони утворили ядра важких атомів водню і гелію, а також невеликих кількостей таких елементів, як літій і берилій. 
• Через кілька годин після Великого вибуху виробництво гелію та інших елементів припинилося б. Протягом наступного мільйона років або близько того Всесвіт продовжував розширюватися.
• Зрештою, температура впала до кількох тисяч градусів. Електрони і ядра вже не могли подолати своє електромагнітне притягання. Вони почали б об'єднуватися, утворюючи атоми.
• Всесвіт продовжував розширюватися і остигати. Трохи щільніші області були сповільнені додатковим гравітаційним притяганням. Це тяжіння зупинило розширення і призвело до повторного колапсу. Гравітаційне тяжіння матерії за межами цих областей змусило атоми обертатися, коли вони колапсували.
• По мірі того, як зони руйнування ставали ще меншими, вони починали обертатися швидше. Врешті-решт, вони поширюються досить швидко, щоб збалансувати тяжіння гравітації. Це можливе пояснення початку формування дископодібних обертових галактик, які ми бачимо сьогодні.

StoryShot #5: Що таке теорія всього?

"Якщо ми відкриємо повну теорію, то з часом вона повинна бути зрозуміла в широкому сенсі кожному, а не лише кільком вченим. Тоді ми всі зможемо взяти участь в дискусії про те, чому існує Всесвіт. Якщо ми знайдемо відповідь на це питання, це буде остаточним тріумфом людського розуму. Бо тоді ми пізнаємо розум Божий".

- Стівен Гокінг, "Теорія всього

Фізика змогла описати початок нашого Всесвіту за допомогою деяких часткових теорій. Ці теорії описують обмежене коло спостережень. Вони нехтують іншими ефектами, які ще не вивчені. Мета космології та фізики - знайти повну, послідовну, єдину теорію світу. Стівен Гокінг описує це як уніфікацію фізики.

Ейнштейн витратив більшу частину своїх останніх років на пошуки цієї єдиної теорії. Зараз ми знаходимося в набагато сильнішій позиції, ніж Ейнштейн, щоб виробити єдину точку зору. 

Стівен Гокінг стримано оптимістично налаштований щодо того, що ми відкриємо остаточні закони природи. Він упевнений, що одного разу ми знайдемо повну єдину теорію, якщо будемо достатньо розумними. Ця єдина теорія не є остаточною теорією. Замість цього ми маємо нескінченну послідовність теорій, кожна з яких описує Всесвіт з більшою точністю.

Наші сучасні погляди на квантову фізику дозволили нам розкрити всі таємниці Всесвіту. Книга Стівена Гокінга є чудовою відправною точкою для розуміння того, як працює Всесвіт і яке значення мають зірки в ньому.

Рейтинг

Ми оцінюємо Теорія всього 4/5.

Як би ви оцінили книгу Стівена Гокінґа на основі цього резюме?

Теорія всього PDF, безкоштовна аудіокнига, інфографіка та анотація до книги

Прокоментуйте нижче і дайте іншим знати, що ви дізналися або якщо у вас є якісь інші думки.

Не знайомі з StoryShots? Отримайте аудіо- та анімовані версії цього огляду та сотні інших бестселерів у нашому безкоштовний топовий додаток. Apple, The Guardian, ООН та Google визнали його одним з найкращих у світі додатків для читання та навчання.

Щоб зануритися в деталі Теорія всьогозамовляйте книга або придбати аудіокнигу безкоштовно.

Примітка редактора: Вперше опубліковано 24/1/2022. Оновлено 26/2/2022

Анотації до книг, пов'язаних з темою

Коротка історія часу Стівена Гокінга

Рівняння Бога Мічіо Каку

Ілон Маск Ешлі Венс

Уроки історії Аріель Дюрант та Вілл Дюрант

Вогняні крила А.П.Я. Абдул Калам

Автобіографія Бенджаміна Франкліна Бенджаміна Франкліна

Sapiens Юваль Ноа Харарі

• Зберегти